铌在高强度可焊接工字钢和其它结构钢中的应用
高强钢对于近10年冶金工业发展意义重大，目前能够满足强度、塑性、韧性、成形性和焊接性的要求，使低成本钢材年产量占世界结构钢的10％左右。
回顾高强度结构钢的发展历程。20世纪初期，结构工程师们使用的单一品种钢，这种钢被称为“低碳钢”，意思是“低碳、柔软、易加工”，低碳钢没有特意使用除碳以外的合金元素进行强化，钢中的Mn用于脱氧，还含有稳定的硫化物，一般认为低碳钢化学成分范围：0．1％～0．25％C，0．4％～0．7％Mn，0．1％～0．5％Si，其余为S、P和其它元素。低碳钢的屈服强度约为250MPa。
在1940年以前，对结构钢的主要要求是增加抗拉强度。为获得较高强度，C含量增加到0．3％，Mn含量达到1．5％左右，这种钢的应用范围不广，适应不了现代高强度结构钢的要求。它具有如下缺点：(a)厚度达到30mm的钢材，屈服强度太低，只能达到360MPa；(b)厚度增加时屈服强度下降的幅度很大；(c)高的C、Mn含量使钢的焊接性能变差；(d)断裂韧性比低强度钢低。
与其它材料，尤其是钢筋混凝土的竞争，促进了结构钢的发展。为保证市场份额，开发了很多简便的生产和精炼技术，这使得对钢的焊接性和缺口冲击韧性越来越高。对1942～1949年期间发生在桥梁和船舶，尤其是著名“自由轮”的金属断裂行为进行的调查和研究，奠定了金属断裂力学的基础。
主要通过以下工艺提高钢的性能：限制C含量；提高洁净度，包括降低S、P含量；Al脱氧，微合金化，常化轧制和后来的控制轧制。上述工艺细化了钢的组织，提高了钢的强度和韧性。
1960年以后，修订的标准中介绍了一些新的钢号：法国的DIN17102标准、英国的BS4360标准、法国的NFA35－504标准。这些国家标准成为后来欧洲统一标准———细晶粒钢EN10113的基础。已有研究工作制订了钢抗脆性断裂的判定原则。这些工作将通常的缺口冲击试验结果和KIc值用于断裂机制。
在下列条件下，需要材料具有更高的韧性：疲劳载荷下的工程结构；低的服役温度；高屈服强度；厚断面钢材。新的欧洲建筑设计规范包括了最小冲击功为27J时的温度，并依此选择相应钢号等内容。
北极地区的海洋工业发展极大地促进了结构钢的发展，该地区需要在严酷的低温条件下装配工程结构。由于海洋结构承载能力有限，且随着深海石油和油气田的开发，对海洋结构而言，减轻重量成为当务之急，高强钢成为焦点。对这些苛刻环境下使用的钢材，制订了专用标准，如EN10225或API2MT2。
表1概括了现代结构钢钢种的特点。
生产工艺
长条材既可用氧气转炉冶炼，也可用电弧炉冶炼，并更多地采用连铸工艺生产。连铸成小方坯、大钢坯和扁锭，作为半成品，最近也连铸成工字钢形状。根据1964年的试验，1968年开始了工字钢的近终形铸造。该技术后来被日本的川崎、日本钢铁和日本钢管、美国的纽科Yamato、Chaparrol和西北钢铁公司、欧洲的ProfilARBED等公司采用。
如欧洲PrefilARBED集团公司热轧产品的不同类型的半成品。其工字梁的最大宽度达1118mm，或者最大厚度达到125mm。热轧工字钢占结构钢的比例很大。因此下面的讨论虽集中于工字钢，但其主要原理同样适用于等效厚度的其它钢材。
ProfilARBED公司生产大工字钢的钢水由电弧炉冶炼，连铸成工字钢。连铸后，初轧前，工字钢在步进炉中重新加热，由两台可逆万能轧机轧制并由万能轧机终轧。轧机孔型不同，轧制产品的断面不同。
1 大工字钢的传统轧制工艺
半成品被加热到1250℃左右，经15～20道次轧制。而对铸锭，需加热到1300℃，可能需经40道次轧制，工字钢的道次压下率为4％～20％，终轧温度高于1000℃，工字梁上的温度分布不均匀：根部和腰部连接处温度最高，腰部的中间温度最低，温度的差异与工字钢的尺寸有关，最大温差可达100℃。按该工艺轧制，按ASTM标准进行评级，厚度为40mm的工字钢晶粒度为7级。
为细化钢的组织，可采用Ti－Nb微合金化，使再加热时奥氏体晶粒相当细小（达50μm，而不是200～300μm），再结晶组织也相当细小。实验室模拟结果显示，每道次压下率达15％即可获得所需要的组织，力学性能达到50Ksi（抗拉强度≥50Ksi，相当于S355）。表2是50Ksi工字钢的化学成分。
该成分设计已成功用于工业生产。热轧过程中温度高，意味着钢中的Nb仍保持固溶状态，即使在终轧温度时，也没有Nb的碳化物析出。Nb在钢中以固溶状态存在时，通过延迟相变，细化铁素体晶粒，获得一定数量的贝氏体，从而提高钢的强度。该钢的典型组织是约80％的铁素体，其余为贝氏体和珠光体。在相同轧制工艺条件下，按ASTM标准判断，C－Mn钢的晶粒度为7级，而含Nb钢的晶粒度为9级。相变过程中或相变之后，若在铁素体中形成NbC析出物，则钢的强度可进一步提高。通过传统轧制工艺只能有限地细化晶粒，对于强度高于50Ksi或厚度大于20mm的钢，为满足韧性要求，必须采用控制轧制工艺。
2 正火热处理
正火是在Ac3相变点以上（通常Ac3＋50℃）。S355钢热轧态的组织为铁素体－珠光体，进行正火处理的目的是细化组织，使组织均匀，提高钢的韧性。
组织细化的程度与原始组织有关。对于不能进行控制轧制的钢，尤其是厚截面钢材，通过正火可达到很好的细化晶粒效果。对于薄截面钢材，正火可能达不到细化的目的，这种情况下，该轧制过程可认为是控制轧制工艺，通常称之为“常化轧制”，热轧态的组织和性能与正火后的组织和性能相似。
通常用Nb提高正火钢的抗拉强度，Nb能够阻止奥氏体晶粒长大，扩大γ相区。在含Si钢中，这种效果尤为明显。正火温度在900℃和1050℃之间，Nb含量为0．02％～0．04％，就足以使晶粒度达到10级。与此相反，含Si钢中不含Nb时，正火温度为1000℃时，晶粒度为7级。
Nb的碳氮化合物和Al的氮化物一样，在1050℃仍能够阻止奥氏体晶粒长大，这种作用尤为重要，即使在炉温不均匀的热处理炉中，也能获得细小的铁素体－珠光体组织。
厚度不同，热轧态工字钢的晶粒度为7～9级。正火后910℃×30′的晶粒度达到了11级。vT27＞40℃。正火后vT27＜－45℃，正火后，强度均略有下降。
根据以上试验结果，制订了S355钢的合金设计原理。
为满足焊接性能的要求，必须具有较低的碳当量。与控轧钢相比，S460钢具有较高的碳当量，从而限制了其产量。还必须指出，尤其对薄截面钢材，热处理易导致变形。变形后必须用矫直机矫直。
3 控轧工艺：控制轧制
在奥氏体的低温区进行控制轧制时，含Nb钢可以满足强度韧性的要求。轧制过程中，奥氏体首先在1050℃以上进行变形，使奥氏体晶粒细化。如果给定总压下率为70％，则每道次轧制后，通过静态再结晶可得到细小的奥氏体晶粒。然后待温至900℃以下进行终轧。含Nb钢中的再结晶非常缓慢，奥氏体晶粒变成饼状，从而有效地细化了晶粒。
电弧炉冶炼的含Si钢，高的自由氮含量对性能的提高非常显著。上述钢中，全氮含量在100ppm以上。含Si的空冷钢中，自由氮含量与全氮含量关系是N自由＝0．43N全。含Si钢的韧性与自由氮含量有关。自由氮含量在32～33ppm以下时，vT40J约为－10℃。自由氮含量一旦超过35ppm，vT40J迅速达到＞＋30℃。
提高韧性方法有两个：一是将终轧温度从960℃降低到870℃，使铁素体晶粒度从7级提高到9级，该工艺显著提高了钢的韧性；二是采用控制轧制，形成氮化物，降低钢中自由氮。二者综合作用，钢的韧性最好。
常用Al来降低钢中自由氮含量，也可采用Ti、Nb、V等元素。相比于Al和Ti，V和Nb具有优点，它们不会导致连铸过程中出现水口堵塞或产生缺陷等连铸问题。对自由氮含量的测定可用于确定氮化物形成元素固定氮的效果。由此确定了Al当量的计算公式Aleq＝Al＋2Ti＋Nb＋V（％）。根据工字钢的力学性能要求来选择合金元素，vT40与屈服强度的函数关系。采用Al、Ti、Al＋Ti、Ti＋V进行微合金化，屈服强度约为320MPa时，vT40在－60～－70℃之间，强度与用于比较的C－Mn钢相似，C－Mn钢中没有沉淀硬化。Nb微合金钢的屈服强度为375MPa时，vT40＝－55℃，Nb产生了显著的沉淀硬化效应，并细化了组织。Ti＋Nb复合加入时，由于TiN与Nb的相互作用，使沉淀硬化效应有所减轻。
同样地，含V钢中加Ti也降低V的硬化效应，因为Ti固定了氮，降低了V的氮化物的硬化效应。
虽然控制轧制能达到强度和韧性的要求，但也存在一些缺点。降低终轧温度增加了轧机的负载，很多轧机在设计时并没有考虑这部分增加的载荷。与C－Mn钢相比，由于Nb的存在阻止了再结晶，在此温度区间使轧机增加了负载。由于控轧过程中有个待温过程，因而增加了轧制时间，降低了生产效率。
要达到一定厚度的S355工字钢所对应的强度时所需的化学成分、碳当量和Nb含量是不同的。为达到所需强度，可采用不同的化学成分。
生产S355钢还可采用的另外一种合金设计原理。C含量提高了0．06％，Nb（V）含量降低。这两种成分的强度相同，然而对韧性的影响很大。C含量低，采用Nb微合金化时，长度方向的韧性提高了，但随着厚度增加，满足韧性要求更为困难。
关于海洋焊接结构钢的EN10225标准中提出了更为严格的韧性要求，该标准涉及到横向或厚度方向的韧性要求，对于较低碳含量的钢，横向冲击功要求有所提高，对厚度方向韧性而言，可通过降低S含量来达到。
控轧工艺也用于生产S460钢，当然，控轧工艺不能生产最大的厚度范围。
对于较厚的钢材，轧制温度提高，轧后冷却速度降低，从而导致组织粗化。为达到强度要求，必须增加合金含量。由于焊接性能的要求和碳当量的限制，尚不能生产50mm厚度以上的S460钢材。
4 控轧工艺：加速冷却
为克服控制轧制的局限性，ProfilARBED公司联合冶金研究中心和英国钢铁公司开发了轧后加速冷却的工艺。
在淬火＋自回火工艺中，最后一道次轧制之后，整个工字钢表面喷水激冷。在心部被淬火之前，停止喷水，工字钢的外表层被从心部向表层传递的热量进行自回火。从终轧辊出来直接进入冷却架，此时温度约为850℃，整个工件的表面冷却后，开始自回火的温度≥600℃。通常，淬火＋回火工艺的先决条件是整个工字钢的断面上温度要均匀，这样，在轧制过程中，需对工字钢上温度最高的部位，即腿部和腰部的连接处进行选择性冷却。采用该技术可消除工字钢断面上的温度差异。
日本钢管公司的福山工厂开发出了与在线加速冷却OLAC（OnlineAcceleratedcooling)相似的工艺。OLAC于1980年起在钢板生产中就已开始了应用。对厚截面钢材，由于横断面形状复杂，该技术在这种材料的应用方面遇到技术困难。由于热变形难以克服而采用无变形的冷却，由于产品的尺寸和钢号非常分散，产品质量难以控制。而日本钢公司开发了大工字钢的加速冷却装置。
采用不同轧制工艺所得到的热轧态组织如前所述，传统轧制所得到的晶粒度为7级，控制轧制时晶粒度约为9级，采用加速冷却时晶粒度可达11级。如此细小的组织在很低的温度下也具有良好的韧性，按照EN10113专用标准，厚度达125mm时41J的转变温度在－50℃以下。
通过激冷细化组织时，Nb细化组织的作用未能发挥，在热轧钢材中，添加Nb未能提高韧性。然而，在高强钢中，通过添加Nb降低碳当量从而提高了焊接性，这对厚钢材尤为重要。
表1 欧洲和ASTM标准中结构钢钢号（30mm厚，单位重量≤634kg/m）
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熔炼分析
标准 钢号 C Mn P S Si Al Nb V CE
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≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≥ ≤ ≤ ≤
S235JR 0.2 1.4 0.045 0.045 － － － － 0.35
S235J0 0.17 1.4 0.04 0.04 － － － － 0.35
EN10025 S275JR 0.21 1.5 0.045 0.045 － － － － 0.4
（1993） S275J0 0.18 1.5 0.04 0.04 － － － － 0.4
S355JR 0.24 1.6 0.045 0.045 0.55 － － － 0.45
S355J0 0.2 1.6 0.04 0.04 0.55 － － － 0.45
S355M 0.16 1.6 0.035 0.03 0.5 0.02 0.05 0.1 0.39
S355ML 0.16 1.6 0.03 0.025 0.5 0.02 0.05 0.1 0.39
EN10113－1 S420M 0.18 1.7 0.035 0.03 0.5 0.02 0.05 0.12 0.45
（1993） S420ML 0.18 1.7 0.03 0.025 0.5 0.02 0.05 0.12 0.45
S460M 0.18 1.7 0.035 0.03 0.6 0.02 0.05 0.12 0.46
S460ML 0.18 1.7 0.03 0.025 0.6 0.02 0.05 0.12 0.46
S355G4 0.16 1.6 0.035 0.03 0.5 0.02 0.05 0.1
S355G11 0.14 1.65 0.025 0.015 0.55 0.015 0.04 0.06
EN10225 S355G12 0.14 1.65 0.02 0.007 0.55 0.015 0.04 0.06
S420G3 0.14 1.65 0.025 0.015 0.55 0.015 0.05 0.08
（2000） S420G4 0.14 1.65 0.02 0.007 0.55 0.015 0.05 0.08
S460G3 0.14 1.7 0.025 0.015 0.55 0.015 0.05 0.08
S460G4 0.14 1.7 0.02 0.007 0.55 0.015 0.05 0.08
A36（1997）0.26 0.8 0.04 0.05 0.4 － － －
Gr50 0.23 1.35 0.04 0.05 0.4 － 0.05 0.15
A572（1997）
Gr65 0.23 1.65 0.04 0.05 0.4 － 0.05 0.15
A992（1998）Gr50 0.23 1.5 0.035 0.045 0.4 － 0.05 0.11
Gr50 0.12 1.6 0.03 0.03 0.4 － 0.05 0.06 0.38
A913（1997）Gr65 0.16 1.6 0.03 0.03 0.4 － 0.05 0.06 0.43
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拉伸试验 冲击试验
标准 钢号 Re Rm A％ 温度 冲击功
MPa MPa ≥ ℃ J
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S235JR
S235J0 20 27
EN10025 S275JR 225 340～470 26 0 27
（1993） S275J0 265 410～560 22 20 27
S355JR 0 27
S355J0 20 27
S355M 345 490～630 22 0 27
S355ML 345 450～610 22 －20 40
EN10113－1 S420M －50 27
（1993） S420ML －20 40
S460M 400 500～660 19 －50 27
S460ML 440 530～720 17 －20 40
S355G4 －50 27
S355G11 －20 50
450～610 －40 50
EN10225 S355G12 345 460～620 22
S420G3 －40 50
（2000） S420G4 －40 60
S460G3 410 500～690 19 －40 60
S460G4 440 530～720 17 －40 60
A36（1997） －40 60
Gr50 250 400～550 18
A572（1997） 345 450 18
Gr65
A992（1998） Gr50 450 550 15
Gr50 345～450 450 18
A913（1997） Gr65 345 450 18 20 54
450 550 15 20 54
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EN标准：A5d ASTM 标准：A200
化学成分对力学性能的影响
从工字钢工业生产数据中，C、Mn、Nb对屈服强度和抗拉强度提高非常显著，而加速冷却尤为明显。
结构钢的韧性与组织和化学成分有关，下列关系式是关于含Al的F＋P结构钢，该关系式源于Mintz等人的研究工作。
vT54(℃)＝84．8－5．65d－0．5＋1．67％珠光体－53．1％Si＋1490％S－1379％P－70．1％Mn－4．97CR°式中，vT54为54J时的转变温度，d为铁素体晶粒尺寸（mm），CR为冷却速度（℃／min）。该式表明，细化晶粒，提高Mn含量和轧后冷却速度对韧性有利，珠光体含量对韧性不利。Irvine等人的工作还表明自由氮对韧性极为不利。
优化化学成分时，需将上述因素与焊接性能综合考虑，降低C含量，Mn含量达到1．5％时，屈服强度高，韧性良好。降低C含量，添加Nb元素具有降低自由氮含量，细化组织，提高强度的同时也提高韧性等优点。
焊接性
通常，焊接操作规程明确规定了施工条件，以避免出现焊接冷裂纹。冷裂纹是由于焊接热影响区韧性差而引起，焊材中扩散氢含量高时易产生焊接冷裂纹，由钢的淬硬性和焊后冷却速度等参数决定。为描述钢的化学成分对焊接冷裂纹敏感性的影响，提出了不同的公式，如碳当量（CE）或焊接裂纹敏感性组成Pcm。
CE＝C＋Mn／6＋（Cr＋Mo＋V）／S＋（Cu＋Ni）／15
Pcm＝C＋Si／30＋（Mn＋Cu＋Cr）／20＋Ni／60＋Mo／15＋V／10＋5B）
为避免焊后产生冷裂纹，可将钢板预热至一定温度，该温度由碳当量、钢材厚度、焊材中扩散氢含量、焊接线能量来确定。
预热温度可按照AWSD1．1、EN1011或SEW088等标准中的方法进行计算，虽然该方法可以确定预热温度，但确定最小焊接线能量时，即单道填充的熔敷金属最小量，与预热温度无关。
用低碳Nb微合金钢取代C－Mn钢的第一个优点是不需预热而避免了硬脆区，扩大了焊接工艺的适用范围。
工字钢采用小线能量焊接（8KJ／cm药芯焊丝电弧焊），焊前不预热。测定接头不同位置的硬度分布，所有硬度值均在300HV10以下。
为确定焊接对钢材性能的影响，采用平焊，焊前均不预热。
采用了下列工艺：控制轧制，加速冷却；工字钢厚度为25mm；焊接工艺，手弧焊；接头型式：平焊，氧割K型坡口；焊接的轴线方向与轧制方向垂直；焊前不预热；焊接线能10～12kJ／cm，多道焊。低碳微合金钢热轧产品的韧性良好。
焊接后，接头的强度不会降低，韧性恶化，Nb微合金钢的母材和接近熔合线处的韧性仍很好。
必须指出，有研究工作报道，尤其是对大线能量焊接，Nb和V对韧性不利，因为产生了脆性组织或碳氮化物析出相，但这种情况不太普遍，通常的焊接工艺为多道手弧焊、气保焊和药芯焊丝电弧焊，采用的焊接线能量较低，约为12～20kJ／cm。
对含Nb微合金S460海洋结构钢进行了较大线能量焊接试验。钢的成分为：0．08％C，0．01％P，0．002％S，0．2％Si，0．044％Al，0．043％Nb。采用控制轧制＋QST工艺生产了厚截面工字钢，其尺寸为360×410×463mm。采用控制轧制，加速冷却；工字钢厚度为57mm；焊接工艺：埋弧焊；接头型式：平焊，氧割对称V型坡口；焊接轴线方向与轧向平行；不预热；多道焊，焊接线能量35kJ／cm和50kJ／cm。
按照海洋工程可焊接结构钢标准EN10225的要求进行焊接试验，测定力学性能。测定了头部、中心部、根部的熔合线、溶敷金属、FL＋2mm等不同位置的冲击转变曲线，试验结果表明，对47J转变温度要求为－40℃（－40），而试验结果达到了－60℃（－80），采用埋弧焊工艺经50KJ／cm大线能量焊接时，熔合线上也没有出现脆性。
还进行了全厚度CTOD断裂韧性试验。该试验方法源于英国，通过测定焊接接头裂纹尖端张开位移确定裂纹失稳扩展的临界值。结果表明，HAZ保持较高断裂韧性，每一部位的CTOD值都大于EN10225标准要求的最小值－10℃0．25mm，还进行了另外的试验，如弯曲或CTS，结果都表明，经大线能量焊接后，各部位均具有优异的韧性。
高强度结构钢的应用
按照表1所引用的主要标准要求，目前生产的高强度钢屈服强度范围为345～460MPa。选用高强钢可增加载荷，或在恒载荷条件下减轻钢结构的重量，减轻的重量与钢结构的断面和加载方式有关。
高强钢应用受到屈服强度的限制，但不是唯一的，另外一些关键因素是挠度和失稳现象，如瓢曲等。这些现象与钢的杨氏模量和几何形状有关，而与屈服强度和抗拉强度无关。
采用3个不同钢种、3个不同的几何断面，相同的载荷进行了比较，钢种为S460（ReH≥460MPa）,S355（ReH≥355MPa）,S235（ReH≥235MPa），选用高强度钢的优点是显而易见的。以S355钢为基准，采用S460钢可减轻重量14％，而选用S235则增加重量32％。就节约材料成本而言，采用S460比S355节省约10％，比S235节省约25％。
建筑行业采用高强钢的另一个优点是节省了制造成本。尤其是减少了焊材的消耗。采用高强钢替代S235钢，减轻了桁架重量和节省了焊材消耗量。以使用S355钢为基准，采用S460可减轻重量25％，采用S235将增加重量70％。材料成本方面的对比也相同，采用S460代替S355，降低成本约20％，在制造成本方面，原先需2个工人紧张的工作，断面减小后，焊材消耗量减少了50％，大大降低了制造成本。
另外还有一些与减轻重量有关的节省，如装配、装载或运输，因为桁架尺寸小、体积小而减小了空间。
材料的价格取决于其力学性能，如：刚性、挠度和屈服强度，材料应用时应该有一个最佳钢种选择方案。最佳的屈服强度范围为355～460MPa。
结论
采用现代生产工艺，结合微合金化，即使对很厚截面的结构钢，也能达到强度更高、韧性更好、更易焊接的要求。
Nb在结构钢中获得了广泛的应用，Nb具有如下优点：不降低钢的连铸性能，可细化组织，减少自由氮的含量，能有效地提高强度和焊接性能。
现代高强钢在建筑、船舶和海洋结构等领域得到了广泛的应用，因其降低了材料成本和制造费用，从而降低了装配成本。
